泥水平衡頂管技術在穿越客專中的應用

夏生祥

摘要：本文主要對太原市北中環市政管線下穿石太鐵路和石太客專時的構造物結構選擇、涵洞布置、線路加固方案及施工過程控制做了介紹。為了減少對客專鐵路行車運營影響，在鐵路線路加固中，采取小截面的H型鋼對線路進行加固，單根重量小，也利于人工操作，減少擾動枕木下的道砟。采用泥水平衡法頂管技術的方式頂進，通過泥漿來平衡頂進時土壓力，避免因土壓力過大造成路基隆起或土壓力過小造成路基塌陷，且可以通過泥漿將土置換出來。經過實踐證明，在高水位下，市政管道穿越客專鐵路采用泥水平衡頂管施工，可以滿足客專列車對線路沉降和穩定的要求，保證行車安全。

Abstract： This paper mainly introduces the structure selection， culvert layout， line reinforcement scheme and construction process control of Beizhonghuan municipal pipeline crossing Shitai Railway and Shitai Passenger Line. In order to reduce the impact on the passenger railway operation， in the reinforcement of the railway line， the H-shaped steel with small cross-section is used to reinforce the line， and the single weight is small， which is also beneficial to manual operation and reduces the ballast under the disturbing sleeper. The mud-water balance method is used to jack-up， and the mud is used to balance the earth pressure during jacking， to avoid the roadbed collapse caused by excessive road pressure or soil pressure caused by excessive earth pressure， and the soil can be replaced by mud. It has been proved by practice that under the high water level， when the municipal pipeline crossing the passenger railway， the mud-water balance pipe jacking construction can meet the requirements of the passenger trains for the settlement and stability of the line and ensure the safety of driving.

關鍵詞：泥水平衡；下穿鐵路；線路加固

Key words： mud-water balance；underpass railway；line reinforcement

中圖分類號：U175 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）28-0182-05

1 工程概況與施工難點

1.1 工程概況

太原市北中環澗河立交配套工程，共有電力、給水、熱力、燃氣、雨水、污水共計10條市政管線下穿石太客專雙線及石太鐵路雙線，石太客專上下行位于中間，石太線上下行位于客專外側，鐵路自西向東分別為石太下行、石太客專上行、石太客專下行、石太上行，線間距分別為5.32m、5.08m、5.31m。既有四條鐵路均為電氣化鐵路，軌型為P60無縫線路，III型混凝土枕，軌枕間距0.6m。頂管位置位于太原東站和太原北站之間，距離太原東站1.6km。

頂管內徑除熱力管道為1.75m圓管外，其余電力、給水、燃氣、雨水、污水均為1.55m圓管。其中電力頂管長度為47.155m，天燃氣和給水頂管長為44.01m。其余均為50.3m。所有頂管與鐵路均為正交。

根據勘察揭露地下水情況與工程地質剖面圖綜合分析，擬建場地地下水類型為孔隙潛水。孔隙潛水層為②層粉土，主要受大氣降水及側向逕流補給，年變化幅度約0.5～1.0m。場地地下水靜止水位埋深介于3.80～7.60m之間，靜止水位標高介于804.69～811.09m之間。頂進范圍處于高水位。

按照施工場地布置，十條管線共設置四個工作坑：電力頂管單獨布置于一個工作坑內（1#坑），天然氣、給水2個頂管布置于一個工作坑內（2#坑），污水頂管單獨布置于一個工作坑內（3#坑），雨水（兩條）、給水、熱力（兩條）、電力6個頂管布置于一處工作坑內（4#坑）。

1.2 施工技術難點

1.2.1 頂管穿越的土層基本上屬于粉土黏土，具有高含水率，地基承載力標準值不大于100kPa。進行頂管施工技術難度大，土體流動性大，頂管開挖的工作面很容易失穩坍塌。

1.2.2 頂管穿越石太客專和石太鐵路的路基，石太鐵路行車密度大，頂進前需對線路進行應力放散和線路加固，整個頂進過程中慢行并嚴格控制線路沉降，安全要求高。

1.2.3 鐵路路基及周邊土體采用了止水帷幕和地基加固，主要是深層攪拌樁，形成加固后無側限抗壓強度達到1.0～4.0MPa 的復合地基土。

1.2.4 工期緊張，施工場地狹窄。十條管線布置在四個工作坑內。需分兩批頂進完成。最近管距4.3m，施工交叉干擾大。

2 頂進涵洞下穿鐵路的優越性

現鐵路下穿鐵路的施工方案有頂進框構橋與頂進涵洞兩種施工方法。

2.1 頂進框構橋與頂進涵洞的施工方法相比下，頂進涵洞的優勢如下：

2.1.1 頂進框構橋與頂進涵洞對于路基本體和線路的影響不同，頂進框構需要全部挖除框構范圍的路基本體及道床，把各種荷載全部轉換到加固體系，而頂進涵洞則是少部分切除路基土體，自下而上造成路基及道床變形，把各種荷載逐步傳遞到路基本體自然拱和加固體系上。

2.1.2 頂進框構與頂進涵洞加固體系中橫梁受力模型有著根本的不同，頂進框構橫梁作為加固體系主要受力桿件一端在路基面上另一端在框構上需截面系數較大的工字鋼，而頂進涵洞橫梁支點全部在路基面上只需滿足分配荷載截面系數較小的工字鋼。

2.1.3 頂進涵洞采用與頂進框構相同的加固方法，慢行點內道床挖槽達到500mm深度，對相鄰軌枕基礎的穩定性影響很大。由于頂進涵洞時管內掏土對路基本體沒有形成懸空，此時的橫縱梁均支撐于路基面上共同受力，僅對變形及時調整就可以恢復軌面平順，因此橫梁沒有必要象頂進框構橋采用45b的大截面工字鋼，改為矮型高強度H型鋼挖槽深度可降至260mm大幅度減少對道床的擾動，結合高鐵對軌道平順性要求嚴格的特點，按照線下加固構件高強度扁平化，盡可能少擾動道床的原則，改進和完善頂進涵洞的加固方案將會減少道床受力體系的頻繁轉換，保持線路基礎的穩定性，施工的綜合效果會更好。

2.1.4 頂進框構與頂進涵洞的安全風險不同，頂進框構最大的風險是塌方造成的側面或正面懸空使橫縱梁承載跨度超過設計容許跨度中斷行車，而頂進涵洞的風險是路基本體下部穿管后土體應力重新分配引起的豎向變形，除不良地質條件外其下沉量較小，采取枕木垛或螺旋千斤頂支撐措施均可及時處置。

2.2 小結

綜上考慮，頂進涵洞只需切除部分路基土體，所需的加固措施更簡單，減少了對道床的擾洞。由于本工程處于高水位動車線下，頂進多條并置涵洞，對土體擾動較大，且下穿時間較長，采用頂進涵洞下穿鐵路較為合適。

3 頂進涵洞施工方案安全性驗算

頂進涵洞的的安全性設計，主要考慮在頂進過程中保證鋼軌正常的強度和變形。即在頂進過程中線路不變形，鋼軌的變形滿足規范正常使用要求，強度滿足承載能力要求。

3.1 設計理念

采用強度和變形雙控指標，分別以22t中荷載及17t高鐵荷載計算強度和變形，以軌道幾何尺寸容許值為變形條件，考慮體系桿件、動載撓度、變形的均勻等因素，慎重選擇相互匹配的構件，確定動載系數，建立計算模型驗算。每根H型鋼的界面系數不小于900cm3，每6米范圍內每根型鋼按照不小于11t作用力計算，撓度按照1/500及幾何尺寸規定控制，為了控制撓度采用彈性模量大的Q345以上的高強度工字鋼。

根據詳細的水文地質勘探資料，做頂管出發及接收基坑的后靠背、鋼筋混凝土防護樁、止水帷幕和降水設計。

根據管位的土體力學指標，計算涵洞頂至路基面的覆土厚度，要求土體變形高度小于覆土厚度。計算并置頂進涵洞容許核心土厚度以及同步頂進和分批交替頂進工況的變形值，確定涵管的最小凈距，要求核心土摩擦、粘聚力的總和必須大于頂進涵管核心土的作用力。

3.2 加固體系的驗算

本工程為市政管線下穿石太鐵路及石太客專鐵路，采用縱橫抬梁結合3-5-3吊軌，加固鐵路線路。每側縱梁采用3根I45b工字鋼為一組，橫梁采用HM 250×175的H型鋼，間距為60cm。

3.2.1 建模過程

縱橫梁采用剛性連接，縱橫梁邊界條件采用簡支支承。縱梁下，每9m放置一塊枕木垛。

在頂管施工最大沉降量估算中，計算得沉降槽影響范圍為距頂管中心線4m范圍內。按最不利情況考慮，縱梁完全架空8m。

3.2.2 荷載情況

移動荷載采用前進型機車單機+70kN/m。（圖1）

3.2.3 縱橫梁受力情況

加載荷載后，結果如下：

從圖2可以得到，橫梁梁單元最大應力為125.7MPa，小于180MPa，強度滿足設計要求。

從圖3可以得到，縱梁梁單元最大應力為84.6MPa，小于180MPa，強度滿足設計要求。

通過建模實驗，橫梁最大位移約為11.6mm，為橫梁跨中位置。橫梁跨度為4.4m，最大容許撓度按L/300控制，則最大容許撓度為14.6mm。橫梁的剛度滿足設計要求；縱梁最大位移約為4.6mm，縱梁跨度為8m，最大容許撓度按L/400控制，則最大容許撓度為20.0mm。縱梁的剛度滿足設計要求。

3.2.4 小結

以上計算，按照縱梁架空8m，橫梁架空4.4m的最不利情況進行建模計算，計算結果均滿足設計要求，可確保安全。

經檢算和分析，確定采取“每側縱梁采用3根I45b工字鋼為一組，橫梁采用HM 250×175的H型鋼，間距為60cm”作為該項目的加固方案。

4 施工順序及過程控制

4.1 施工順序

場地平整—管線改移、防護—地基注漿加固、工作坑止水帷幕及鉆孔樁、鋼板樁—工作坑開挖及支撐、修筑后背墻—工作坑底板澆筑—頂進設備安裝、調試—線路加固—泥水平衡掘進機進洞—吊放第一節鋼筋混凝土管—頂進（注漿減阻）—依次循環—泥水平衡掘進機出洞、頂管結束。

4.2 過程控制

4.2.1 線路加固

①加固范圍。

該區間Ⅲ型枕間距為1667根/km，枕間凈距300mm，通過安全檢算，為了確保頂進過程中鐵路運營安全，橫縱梁加固范圍不小于地質勘探和頂管覆土變形破裂邊緣再外延2m，即對頂管中心線兩側各12m范圍內鐵路采用縱橫梁抬軌的方式進行加固，線路加固體系分為橫梁、縱梁、扣軌等三部分，扣軌長度大于橫縱梁加固長度，嚴格按照隔6穿1進行線路加固。通過線路加固，石太客專上行和石太下行加固成一個整體，石太客專下行和石太上行加固成一個整體。并確保挖石碴不破底，穿工字鋼少動道床。

②線路加固方式。

橫梁：采用H250型鋼加固，按既有線軌枕隔一穿一進行布置，3.5m長木枕按H250型鋼隔二穿一布置。扣軌與型鋼及木枕采用U行卡及扣卡全部連接牢固。1、2#坑位置單側設置橫梁37道，3、4#坑位置單側設置橫梁50道，共計12m橫梁174道。橫梁間距為0.6m，扣軌與橫梁用卡子連接；每隔1.8m橫梁與主軌使用D型梁扣件實施連接；橫梁頂設置20mm木板；

縱梁：采用I45b工字鋼，石太客專線間設置2束縱梁，每兩根并一束，客專線與石太線間各設置兩束，每三根并一束，石太上下行路肩各設置一束縱梁，每三根并一束。共計設置縱梁8束。每6m左右在縱梁底部設螺旋千斤頂設置1處；

扣軌：采用P50kg/m，12.5m和25m兩種鋼軌交錯設置，四股線路全部采用3-5-3形式。

③線路加固及拆除流程。

標記并方枕——穿入長木枕——安設扣軌——穿入橫梁——抬設縱梁——圓管頂進——拆除扣軌——抽出木枕及橫梁回填道碴——順序拆除縱梁——線路養護及階梯提速——恢復正常行車。

4.2.2 頂進施工

頂進施工采用泥水平衡法。主要由頂管機、泥水輸送及泥水處理三個系統構成。（圖4）

①工作機理：頂管機鉆進時，通過泥水輸送系統將泥水送至掘進機頭掌子面處形成泥膜，利用泥膜來穩定掌子面。頂管掘進機的前部刀盤附近設有隔板，形成泥水壓力倉，通過調節推進油缸，頂力和輸送泥水壓力就可以使泥水對開挖面地層保持一定的壓力，這種壓力與開挖面的地下水壓力及土體壓力之和相等時，就使頂管機開挖面處于壓力平衡狀態，保持了開挖面的穩定。同時，進機刀盤切削土層，被切削下來的泥土進入主切削刀后部開閉可調的進泥口與注入泥漿均勻攪拌，然后由排泥系統輸送到地面，在沉淀池中將泥水和沙石分離，將泥土運走。分離后的泥水再送入輸送泥水系統中循環使用。

②施工工藝流程如圖5所示。

③頂進主要參數控制：

1）泥水倉壓力控制值為110kPa。泥土倉壓力控制值初步定為125kPa，待機頭進入正常的土層后，靜置24h，觀察頂管掘進機土層壓力表上的值，若此時值與該值不符，則以測定值為準，并對原來計算的總推力值進行相應的調整。

2）推進速度，一般控制在10mm/min左右。

3）泥水管理：泥水式機頭泥水比重控制在1.15～1.25之間。

4）軸線控制：管道每頂進200～300mm時測一次中心軸線，若發現偏移趨勢就進行糾偏，當偏移量達到20mm時，立即停止頂進，查明原因，在制訂出切實措施后再繼續頂進。為確保頂管軸線的正確，勤測勤糾。

5 施工注意事項

5.1 嚴格按照鐵路局有關營業線和鄰近營業線施工的有關規定辦理相關手續并嚴格執行。頂進施工時列車限速45km/h，做好施工及慢行防護，每過一列車后均需認真檢查線路情況，發現問題及時處理。

5.2 頂進時注漿使管周外壁形成泥漿潤滑套，從而降低了頂進時的摩阻力，在注漿時做到以下幾點：①選擇優質的觸變泥漿材料，對膨潤土取樣測試。②在管子上預埋壓漿孔，壓漿孔的設置要有利于漿套的形成。③膨潤土的貯藏及漿液配制、攪拌、膨脹時間在12h以上。④壓漿方式要以同步注漿為主，補漿為輔。在頂進過程中，要經常檢查各推進段的漿液形成情況。⑤注漿設備和管路要可靠，具有足夠的耐壓和良好的密封性能。在注漿孔中設置一個單向閥，使漿液管外的土能倒灌而堵塞注漿孔，從而影響注漿效果。⑥注漿泵選擇脈動小的螺桿泵，流量與頂進速度相應。

5.3 做好頂管初始頂進進洞與出洞的控制。頂管機進洞的推進過程是一個泥水平衡建立的過程。機頭在進洞段施工中，開始時由于處于水泥土加固區域，在不影響泥水系統正常輸送平衡條件下，切口水壓較低。當千斤頂縮回安裝管子之前必須作好臨時支撐。當機頭接近洞口時，保持好頂進時的泥土壓力在0.1MPa左右，在距洞口前0.5m左右時，停止前進，拆除內側臨時封擋。當封擋拆除后應迅速、連續頂進管節，盡可能縮短機頭出洞時間，讓機頭在充水水囊的止水狀態下完成安全出洞。

5.4 本工程下穿客運專線，根據設計要求編制監測方案，布設控制網，設置監測點，確定頻率觀測，對圍護樁頂水平位移、鋼管支撐軸力，樁身傾斜，水位監測、地面沉降等進行監測。施工時還需對既有線路基及鋼軌進行監測。如監測數值超出預警值，立即停止施工，查明原因，制定相應措施后方可施工。施工完畢后，繼續進行沉降觀測，沉降穩定后恢復運營速度。

5.5 頂進糾偏

①本工程要求圓管頂進最大扎頭不允許超過5cm。

②頂進糾偏必須勤測量、多微調，每次糾偏角度應保持在10′～20′，不得大于1°。要做到“勤測勤糾、多糾微糾”，并設置偏差警戒線。

③初始推進階段，方向主要是主頂油缸控制，一方面要減慢主頂推進速度，另一方面不斷調整油缸編組和機頭糾偏。

5.6 頂管施工質量通病及防治措施（表1）

5.7 成立指揮應急小組，制定各類應急預案并進行應急演練。施工現場準備必要的應急物資、發電機以及頂管機易損件的備品。對施工現場出現的各類危險情況采取必要的應急措施。

5.8 頂進完成后，按照設計要求及時進行回填。路基兩側夯填砂礫并壓漿處理，確保路基密實。

參考文獻：

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